基于Trucksim的路面模型的建立與重構

張娜，紀成浩，陸澤通

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

車輛在路面上行駛時,由于路面的凹凸不平會引起車輛的振動,路面的不平度越大車輛的振動就越劇烈[1]。路面激勵作為輸入時對車輛動態性和穩定性的研究至關重要。路面模型建立的準確與否對車輛動態研究至關重要。頻域模型對假設為線性系統的車輛仿真適用[2]，對車輛的半主動懸架的研究不適用。但時域模型適用于非線性系統。在車輛動力學研究中，路面激勵信號的準確性對仿真結果的影響是很大的。多年來,國內外已有許多學者對車輛道路友好性做了大量的工作。但在上述研究中,采用的大多都是二維路面，實際上路面是三維路面,所以仿真的結果有很大差異[3][4]。為實現三維路面環境中的車輛動態性能研究,許多學者對三維路面模型進行了研究,并取得了一些成果。文獻[5]通過實驗準確給出了三維路面特征指標，但沒有應用于車輛動力學的研究分析。基于以上文獻參考,本文創建了Trucksim和Matlab 聯合的D級三維路面重構方法,將重構的路面作為激勵進行車輛動力學的研究。通過對車輛動力學仿真結果分析,所重構路面可作為車輛動態性能和平順性分析研究的輸入激勵信號。

1 路面不平度的功率譜密度

1.1 路面不平度的功率譜

路面不平度函數定義：道路表面高度相比于基準路面在道路延伸方向上的變化。如圖1所示。

圖1 路面不平度曲線

路面不平度的特性是由路面功率譜密度描述的。由文獻[6]可知其功率譜密度表達式為:

式中，

Gq(n)為路面功率譜密度，m3；n為空間頻率，m-1；n0=0.1為參考空間頻率，m-1；Gq(n0)為路面不平度系數，m3；W為頻率指數。

路面的均方根值用來描述路面激勵的平均功率和強度，公式如下：

依照國標路面不平度分為8級。如表1所示。

表1 路面不平度8級分類標準

1.2 路面的時域模型

譜函數Gq(n)描述路面特性時，與車速和時間無關。但是分析路面激勵在車輛動力學的響應時，車輛的速度u必須考慮到。所以把空間頻率譜函數轉換為時間頻譜函數。

設車速為u，空間頻率n與時間頻率f之間的關系為：

式中：f 為時間頻率，單位是Hz。

則空間與時間頻譜之間的關系為：

式中：Gq(f)為時間頻率功率譜密度；Gq(n)為空間頻率功率譜密度。

將式1和式3帶入式4中得到

將式4帶入式5就可以得到空間譜密度和速度的關系：

從式5和式6可以看出，空間譜密度同速度的平方成正比，時間譜密度同車輛行駛速度的一次方成正比。

2 三維路面模型的重構

在車輛動力學的研究中，路面模型的建立影響很大[7]。本文創建了Trucksim和 Matlab 聯合的D級三維路面重構方法。創建方法的原理圖如圖2所示。通過Matlab編程獲取D級路面數據，再把數據導入Trucksim中進行相應路面文件的編寫，最后在 Trucksim 中得到相應路面的三維路面模型，接下來作為激勵與車輛進行仿真，驗證激勵路面準確性。

圖2 三維路面模型重構原理圖

2.1 路面數據的獲取

本次選用的車輛模型為大型礦用自卸車，依據國標采用D級路面作為激勵輸入[8]。本文在Matlab中通過諧波疊加法模擬所需D級路面。

空間頻率n的大小在 0.011～2.83 之間，記為n1≤n≤n2。路面不平度的方差可定義為：

被分的若干小區間中心處頻率nmid-k(k=1,2,…,m)的譜密度值Gq(nmid-k)代替區間上的譜密度值Gq(n)。則式7可改寫為

對式9在Matlab中編寫代碼就能得到1200米的D級路面曲線。D級隨機路面曲線如圖3所示。同時可以得到D級路面的數據，在Trucksim中對其進行路面文件編寫。

圖3 D級隨機路面不平度

2.2 Trucksim中三維路面模型重構

Trucksim中用的三維模型與實際道路接近，能使仿真精度大大提高，對車輛性能的評價更加準確。路面的重構需要對其相應文件進行編寫，Trucksim路面文件窗口如圖4所示。界面包括水平線形、路面不平度、縱斷面線形等。對每個模塊進行相應的數據文件編寫即可得到與實際路面一致的三維道路。

圖4 Trucksim路面文件窗口

在圖 4 中（1）的位置設置“Straight 1200”，路面為一條1200m的直線。將圖 3 中的數據轉化為“txt”格式后，輸入到（2）位置。打開（2）位置，在數據區寫入D級路面的數據文件，圖形區就生成了相應的路面不平度曲線，如圖5所示。

圖5 Trucksim中路面模型設置窗口

Trucksim會對這些數據自動進行二維插值運算形成三維路面。在3處點擊“Flat”，默認當前數據。在Trucksim中重構之后的D級三維路面模型“D level road”如圖6所示。

圖6 重構的D級路面三維模型

2.3 三維路面譜在車輛動力學仿真分析中的應用

在Trucksim中對三維D級路面完成重構后，將其作為激勵進行車輛動力模擬仿真，對比所重構三維D級路面與二維路面的區別以及重構路面的實用性。以車輛的輪胎縱向力、輪胎側向力、輪胎動載荷和車身加速度為輸出，對比在兩種路面上的變化范圍，仿真結果如圖7所示。

圖7 二維和三維路面下的車輛受力對比

如圖7所示，在兩種路面下行駛時車輛輪胎側向力曲線相差不大，變化較為一致；對于輪胎縱向力和輪胎動載荷，變化趨勢一樣，但三維路面波動較大，數值比二維路面要大。為了使分析跟準確，對比了四個輸出的最大值和均方根值，如表2所示。

表2 車輛行駛時輪胎力的最大值和均方根值

由表2分析可得，在二維和三維路面上分別行駛時，車輛輪胎的垂向動載荷、側向作用力和縱向作用力的均方根值都不大于11%；車輛在三維路面行駛時，車輛的垂向加速度均方根值相差92%，具有很大的差異。

3 結論

研究了路面不平度功率譜密度，在Matlab中用隨機諧波疊加法生成D級路面，再與 Trucksim聯合完成D級路面模型的重構。重構完成后，對比車輛在三維路面和二維路面上的動態性能響應分析：車輛在三維路面各個輸出參數比在二維路面行駛時波動更大，數值也更大。這是因為二位路面模型不能真實反應實際路面的輸入激勵，所重構路面可作為車輛動態性能和平順性分析研究的輸入激勵信號。